钙对镉胁迫下生菜幼苗生长和生理的影响

石贵玉，李佳枚，韦 颖，廖文雪，叶 静

(1.广西师范大学 生命科学学院，广西 桂林 541004;2.广西环境工程与保护评价重点实验室，广西 桂林 541004)

随着矿产资源大量开发利用，各种化学产品、农药、化肥的广泛使用以及城市污泥、污水的农业利用，重金属对土壤、水体的污染也越来越严重［1－2］。在主要的重金属污染物中，镉 (Cd) 有比较高的生物毒性，Cd对高等植物的毒害作用主要表现为抑制植物对水分的吸收和运输;抑制光合作用和呼吸作用;抑制其它新陈代谢等［3］。

很多研究表明，钙 (Ca)在植物抗逆境过程中具有重要作用，外源Ca可增强植物对许多非生物逆境的适应性，减轻逆境对植物所造成的伤害［4－5］，营养液及土壤中添加Ca对Cd的毒害具有缓解作用［6］。

生菜 (Lactuca sativa)别名莴苣，属菊科莴苣属植物，生菜营养价值较高，主要以生食为主，是凉拌色拉、汉堡包不可缺少的蔬菜。在南方普遍栽培，是人们喜食的叶菜类之一。因生菜多在城市郊区种植，易受Cd污染。因此，研究生菜Cd积累及毒害生理机制，培育食用部位含Cd量低的生菜品种具有重要的理论和实际意义。

本试验以生菜为材料，研究Ca对不同 Cd水平胁迫下的生菜植株生长生理的影响，探讨Ca对不同Cd水平下生菜抗氧化酶活性的变化以及影响植株生长的生理机制，以求为发展绿色食品和无公害蔬菜提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料和处理

试验用生菜秧苗受赠于桂林市穿山乡，品种为生菜王 (Lettuce)。

秧苗先用自来水冲洗根上的泥土，挑选生长一致的幼苗在营养液中进行预培养，每盆5株，营养液配方采用华南农业大学叶菜类配方［7］，预培养1周后，进行胁迫处理。

试验设置如下:1号不加 Cd对照 (CK);2号Ca 20 mg·L－1(以CaCl2加入，下同);3号Cd 10 mg·L－1(以 CdSO4加入，下同);4号 Cd 20 mg·L－1;5 号 Ca 20 mg·L－1+Cd 10 mg·L－1;6号 Ca 20 mg·L－1+Cd 20 mg·L－1。重复 3 次。分别于处理后10 d取样测定过氧化物酶 (POD)、过氧化氢酶 (CAT)、超氧化物歧化酶 (SOD)的活性和丙二醛 (MDA)、还原性糖含量。第20天测定叶绿素含量和植株生长量。

1.2 测定方法

POD活性的测定:用愈伤木酚氧化法［8］，以470 nm波长下每1 min每1 g材料的光密度变化表示酶活性大小。

CAT活性的测定:用紫外吸收法测定［9］，以1 min内D240减少0.1为一个酶活性单位。

SOD活性的测定:按Giannopolitis和Ries的方法，以每单位时间内抑制光化还原50%的氮蓝四唑 (NBT) 为一个酶活性单位［10］。

MDA含量的测定:采用硫代巴比妥酸比色法测定 MDA 含量［8］。

还原性糖含量的测定:用蒽酮法［8］。

叶绿素含量的测定:采用分光光度法，用Arnon 法计算叶绿素含量［8］。

生长量测定:采用尺寸测量法和天平法。

数据采用Excel软件处理，采用 SPSS 13.0软件用单因素方差分析对以上数据进行样品的差异显著性检验，采用LSD方法进行多重比较检验。

2 结果与分析

2.1 对生菜幼苗生长的影响

从表1可见，培养20 d时，2号处理株高和鲜重与对照基本相同，3号、4号处理则株高和鲜重均比对照低，且浓度愈高作用愈明显，但5号和6号有Ca存在时，株高和鲜重则分别比3、4号高，说明Ca有缓解Cd毒害的作用。

2.2 对生菜幼苗叶绿素含量和组分的影响

叶绿素是植物进行光合作用的色素，其含量高低可以在一定程度上反映光合作用水平［11］。叶绿素含量降低，光合作用减弱，会导致植物生长受抑制，生物量下降。从表1可以看出，随着Cd污染浓度的升高，叶绿素总量呈下降的趋势，同时叶绿素a/b比值随着Cd污染浓度的增高而降低，说明Cd毒害使生菜叶片叶绿素含量降低，且对叶绿素a的影响小于对叶绿素b的影响。从表1中还可以看出，Ca+Cd，处理幼苗叶绿素含量和组成均高于Cd处理，说明Ca有缓解Cd毒害，保持较高水平叶绿素含量的作用。

表1 各处理对生菜幼苗株高、鲜重和叶绿素的影响

2.3 对生菜幼苗抗氧化能力的影响

2.3.1 SOD活性

SOD是重要的活性氧清除酶，能保护细胞免受活性氧胁迫的伤害。图1看出，Cd胁迫下SOD活性有所提高，Ca存在时SOD活性比单一Cd胁迫的酶活性高，这可能与植物在逆境时通过提高SOD活性起应激反应有关。说明Ca有提高生菜幼苗抗重金属胁迫的能力。但随着胁迫时间的延长，各处理的SOD活性均大幅度下降。

图1 Ca对Cd胁迫下生菜幼苗SOD活性的影响

2.3.2 CAT活性

CAT也是清除H2O2重要的保护酶，图2反映了Cd胁迫和Ca对生菜幼苗叶片CAT活性的影响。在处理的早期处理3～6生菜幼苗中的CAT活性均有明显的增加，Ca处理从开始到结束，CAT活性均比CK组高，但是差异并不明显。这说明Ca有提高CAT活性的能力，在处理后期，处理3～6幼苗中的CAT活性均下降。试验结果与生菜SOD活性变化相似，这可能与植物在逆境时也通过提高CAT活性消除活性氧有关。

图2 Ca对Cd胁迫下生菜幼苗CAT活性的影响

2.3.3 POD活性

POD是植物体内重要的抗氧化酶，能有效清除H2O2。图3反映了镉Cd胁迫时Ca对生菜幼苗叶片POD活性的影响。

从图3可知，随着处理时间的延长，处理3～6的POD活性从开始到实验结束始终高于对照，处理5～6的POD活性一直比处理3～4的 POD活性高，反映Ca有提高POD活性的作用。

图3 Ca对Cd胁迫下生菜幼苗POD活性的影响

2.3.4 MDA含量

植物在逆境环境中，细胞膜中的不饱和脂肪酸会发生过氧化作用产生MDA，使质膜系统受到伤害，其选择性受到破坏，导致细胞内电解质外渗量增加，因而MDA含量可反映膜脂过氧化作用的强弱，质膜透性可表示膜伤害或变性的程度［12］。图4反映了镉胁迫下Ca对生菜幼苗叶片MDA含量变化的影响。在整个试验中，处理3～6植株叶片MDA含量明显比CK组多，达到了显著水平 (P＜0.05)，特别是处理5～6始终比处理3～4的MDA含量要低，并且达到了显著水平，这说明Ca离子在一定程度上增强了生菜抵抗重金属的能力。

图4 Ca对Cd胁迫下生菜幼苗MDA含量的影响

2.4 对生菜幼苗可溶性糖含量的影响

可溶性糖是参与细胞渗透调节的主要物质之一，糖的积累能提高细胞渗透浓度，在植物抗性的维持中具有重要作用。图5反映了Ca对Cd胁迫下生菜幼苗可溶性糖含量的影响。从图5中可知，Cd胁迫使生菜幼苗体内的可溶性糖含量下降，加Ca处理组生菜幼苗中的可溶性糖含量均比未加Ca处理组幼苗中可溶性糖含量高，差异明显已达到显著水平，反映Ca处理有缓解镉毒害的作用。

图5 Ca对Cd胁迫下生菜幼苗可溶性糖含量的影响

3 小结和讨论

活性氧 (如·O2－，·OH，H2O2等)是植物正常代谢中的产物，在逆境胁迫下，活性氧代谢系统的平衡会受到影响，植物体内的活性氧大量生成。活性氧的升高能启动膜脂过氧化或膜脂脱脂作用，从而破坏膜结构［8－9］。SOD和 CAT是存在于植物细胞中重要的清除自由基酶类之一，它的主要功能是清除超氧化物自由基·O2－和H2O［213］，其活性的大小与植物抗逆的能力相关［14］。试验反映，在Cd胁迫的早期，加入Ca能提高SOD和CAT的活性，从而提高清除自由基的能力，缓解Cd胁迫对生菜幼苗的伤害;但是，随着Cd胁迫时间的延长，Ca逐渐失去提高幼苗SOD、CAT活性的作用，这可能是加入Ca使SOD、CAT活性提高是有限度的，随着胁迫的加重，保护机制可能被破坏，因此，随着Cd胁迫时间的延长，SOD、CAT活性又发生了急剧下降。在本次试验中 CAT、SOD两者活性的影响具有相关性，两者活性变化趋势基本一致，这说明加Ca能够通过提高抗氧化酶类活性从而提高对镉的抗逆性。

POD是植物体内重要的代谢酶，也是植物体内的抗氧化酶之一，过氧化物酶活性的高低不仅反映植物生长发育及内在代谢情况，同时也是植物抗性好坏的标志之一［12，15］。从试验可以看出 Cd胁迫时Ca对生菜幼苗叶片POD活性的变化与Cd胁迫时Ca对生菜幼苗叶片SOD、CAT活性的变化不一致，POD的活性是从试验开始到试验结束持续升高，表明其对Cd胁迫的适应性比较强，暗示POD活性在抗Cd胁迫的过程中起关键性的作用。

MDA是生物体代谢和生物膜系统脂质过氧化作用下的产物，MDA含量的多少反映了细胞膜脂过氧化的程度，是一种重要的逆境生理指标。本试验说明生菜体内膜脂过氧化的程度受Cd处理浓度和处理时间的双重影响，处理浓度越大、时间越长，生菜体内膜脂过氧化程度越大，植株受的伤害越大。Ca能维持细胞膜结构的稳定，在逆境下具有保护植物细胞膜免遭损伤、降低离子渗漏的功能，原因可能是Ca与膜磷脂的极性头部结合，通过交联作用，使膜脂分子和蛋白质分子结合紧密，从而降低了膜的透性［15］。说明Ca减轻了镉的生理毒害，可能与它维持细胞膜和细胞壁结构的完整性有关。

植物为了适应逆境条件，也会主动积累一些可溶性糖、脯氨酸等物质，以适应外界环境条件的变化。可溶性糖是参与细胞渗透调节的主要物质之一，糖的积累能提高细胞渗透浓度，增加抗性能力，在植物抗性的维持中具有重要作用。贺迪等［16］发现Zn2+胁迫下可溶性糖含量的增加有利于细胞或组织持水，防止脱水从而使得细胞内大分子糖类的分解加强而合成受抑，最终导致可溶性糖含量上升。本试验也表明，外源Ca可以促进生菜体内可溶性糖含量增加，这可能与提高生菜抗重金属镉毒害的能力有关。

据报道，Cd胁迫下，植物叶绿体结构受损，叶绿素生物合成受阻［16］，导致叶绿素总量降低，植物光合作用受到抑制，从而引起植物长势较弱，生长量减少。本试验中，随着Cd浓度的增加和时间的延长，生菜叶绿素含量明显降低、植株矮小，这与王林在萝卜上的研究结果相似［17］，导致了植物的光合能力降低，生长延缓。Ca处理叶绿素含量和组成均高于 Cd污染处理，这说明了Ca能增加生菜幼苗的抗Cd能力。

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